无人机在水文监测和信息化管理中的应用.pdf

山 西 水 利2023 年 5 月 2023 年第 5 期无人机在水文监测和信息化管理中的应用马玉婷（长江水利委员会水文局长江上游水文水资源勘测局，重庆江北400020）摘要 无人机技术已普遍运用于水文监测、水资源管理、水利工程测绘等方面。文章根据西部流域洪涝灾害及突发事件应对处理的特点，就无人机在山洪监测、水库测量、堰塞监测、水质检测、洪涝灾害监测等水资源监测和信息化管理与应用领域进行了探讨，对无人机在水质、地形、灾害突发状况查勘及其信息化应用等方面进行了分析，对无人机的广泛应用有一定借鉴作用。关键词 无人机技术；水文监测；信息化管理中图分类号 P335文献标识码 A文章编号 1004-7042（2023）05-0057-02卫星遥感技术在水质动态监测、水文地貌测量等领域应用广泛，但该技术主要采用多光谱成像技术，难以实现对水环境中各指标的实时、准确监测，难以掌握各指标的变化规律。在山间险滩等卫星不能监控区域，常采用无人机测量技术。1无人机技术概述我国民用无人机技术的研究与使用位于世界前列，近年来在工业领域也成果丰硕，在全球无人机市场处于绝对主导地位。目前水文监测中使用的大部分是旋翼飞行器，按规范分类为无人机系统中第三类飞行器。采用无人机进行水文监测，主要有两种方法，一种是采用手动控制的方法，另一种是事先对无人机进行监测设置，然后无人机自动巡航收集水文监测数据，包括水体深度、水位高程、水面宽以及水流速度等数据，还可以可视化地展现水系统的流动趋势。无人机监测结束后，通过无线传输和处理系统绘制出监测区域图，精确计算水系截面流量，记录流速测量，生成流量计算图表。2无人机在水文监测中的应用2.1山洪监测陡峭山区山洪多发，来势迅猛、强度大、危害大，具有高度不确定性，水文、水位信息收集和实时监控十分困难，需要人工到受灾第一线进行信息收集，且受灾人群调查，风险大、难度大1，使用无人机监测可以避开风险，以最短时间到达受灾地点，利用雷达波、实时微分等技术，对受灾地点进行实时地理信息获取，并通过高分辨率的图像处理技术，快速对受灾地点进行建模，得到受灾地区的精确信息，为灾区救援工作提供科学依据。2.2水库测量湖泊或水库监控内容包括：水面、水位以及地形地貌等信息。传统方法采用监测船舶和标尺等人工手段，人力、物力和时间花费较大，且数据精度低。精准监测大范围污染河道比较困难，且由于工作区域太大，监控速度也很慢2。无人机水文监测，可将一个湖泊或水库的实际状况，通过系统摄像头迅速完成拍摄，并对区域的实际状况建模，直观展现区域地貌，精确测量水面及当前蓄水量，通过上、下游快速监测，及时了解水文情况，对大范围的水质进行监测，既快捷又有效，极大地节约了资源。2.3堰塞监测山区发生重大地质事件（如：山崩、地震）后，很容易产生堰塞湖，由于山区河道构造不稳定，被侵蚀、冲刷后，很容易产生崩塌，导致泥石流，造成严重灾害，仅靠人工手段开展灾害监测根本无法实现。通过无人机长距离监测，可直观展现堰塞湖真实情况，在 1耀2 h内建立起一个完整的灾情预测系统，并通过系统对堰塞湖和溃坝进行全面的检测，根据检测结果做出相应的应急预案，为防汛工作争取到宝贵的时间。2.4水质检测对受污染水域进行完整调查和重点采样，常用的反应水质状态的水质监测综合指标有 Chl-a 浓度、技术与应用57SHANXI WATER RESOURCES山西水利山西水利山西水利CDOM、TSS 浓度、TN、TP 以及 DO 等。传统的水质采样有人工采样和自动化采样两种，人工采样风险大，效率低；而自动化采样则需定点采样，灵活性较弱，采样范围受到限制。采用快速响应、高效运行无人机配备的测流系统，可通过不同水质反射的波谱特性，对水体进行采样，通过波普监测综合指标分析水质变化，实现实时监控，更好地反应水体的时间与空间的分布情况以及变化情况；通过无人机悬浮技术，实时监测和掌控水体质量情况，弥补了人工调查速度较慢以及自动采样的局限性。目前已有专门为水质采样设计的特殊无人机，机上的水质采样设备可以一次携带多种质量的采样瓶，可以自动进行不同范围和不同水深的采样；另一种无人机型可以代替工作船舶进行采样，不会对周边环境造成太大的干扰。2.5洪涝灾害监测发生特大洪涝灾害时，选用可携带非接触性雷达、多普勒和激光扫描仪等测量水流装置的旋翼式无人机进行水文资料收集时，在预先设定好的飞行路线，按照设定的 30 m 高空飞行路线，进行连续检测点悬停检测作业，直到测验路线结束后返回。3无人机地理信息采集3.1地理信息采集优势比较获得地形图的方式主要有：人工测量手工绘制、飞机航拍、卫星遥感和无人机航拍等，这些获得的方式都有各自的独到之处。第一，手绘地图适用于局部测量和控制点测量，缺点是工作强度大，进度缓慢。第二，飞机航拍适用于大面积图形绘制，绘制速度快，缺点是申请过程繁琐，约束条件多，费用高。第三，卫星遥感，谷歌地图就是卫星遥感成像，又叫卫星图像，是一种小比例的遥感图像，缺点是像素不高、局部细节不清晰、价格较高。第四，无人机航拍技术，具有广阔的发展前景，其成像精度可以在 0.1 m 以内，可以实现 1：1 以上的成像3，是当前的遥感摄影技术所不能实现的；无人机更擅长小型区域拍摄，可以作为卫星遥感成像的辅助，对于有实时性、清晰度和价格方面的需求来说，是最好的选择。3.2无人机地面控制无人机可以迅速、有效地检测水的流速、流量、水位，灵活、便捷、高效地输出测流数据，实现对江河灾害险情的预警、排查，减少了人工检测的风险，提升了检测效率。但尚未实现无人机对河道断面流量的测量，一是多普勒水流测量技术测量的只是表面水流速度，对河道总流量的测量精度较低，难以替代河道断面流量测量；二是由于受不确定风速、运动抖动、传播媒介等因素的干扰，测量的准确性受到较大的限制。利用无人机对河道进行紧急情况下的水文监测，可有效提高河道水文监测的自动化和智能化水平，但仍需依靠人工进行全方位操控，需强化对地面人工操控的指导和操控流程的动态管理，强化对无人机、任务载荷和数据链的监控，以提高操控的有效性和准确性。4结语将无人机用于河道水文监测，是一种全新的河道灾害监控方式。利用无人机进行流量和水位测量，可有效解决常规监控方式受地形、水文地质等因素制约的弊端，加强无人机在河道水文监测中的运用，可以很好地解决以往无法测流的困难，大大提升工作效率。参考文献1 陈晨，荣佳伟，乔铂纯.无人机测验系统在水文监测中的应用探索 J.东北水利水电，2021，39（11）：69-70.2 魏海涛.无人机在水文测验中的应用 J.河北水利，2021（9）：22+37.3 郑应成.无人机在水文测验和信息化管理中的应用 J.广西水利水电，2020（1）：91-95.作者简介 马玉婷（1990-），女，2012 年毕业于三峡大学水文与水资源专业，工程师。收稿日期 2023-03-17；修回日期 2023-04-25安不忘危，慎不忘节，穷不忘操，贵不忘道。技术与应用58